CN115405392A - 废热回收系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种废热回收系统及其控制方法，废热回收系统包含有机朗肯循环系统与热水回路系统。其中有机朗肯循环系统的有机朗肯泵浦将第一工作流体传送至有机朗肯蒸发器，使第一工作流体高压汽化。此外，烟气流经热水回路系统的热交换器而进行热交换，而热水回路泵浦将第二工作流体传送至热交换器，使第二工作流体吸收烟气热能且具有热水入口温度。有机朗肯泵浦与热水回路泵浦依据烟气流量与烟气流量预设值的比对结果控制工作流体蒸发温度与热水入口温度。借此，使系统在不稳定的烟气热源下能具有较佳发电量及较低电力生产成本。

Description

废热回收系统及其控制方法
技术领域
本发明是关于一种废热回收系统及其控制方法，特别是关于一种可随烟气流量变动而调整的废热回收系统及其控制方法。
背景技术
工业废热多以烟气形式排放至环境中，导致能源使用效率降低且温室效应加剧，而利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)回收废热转换成电能可有效缓解此情况。然而，烟气常夹杂污染物质，若直接进入有机朗肯蒸发器与工作流体进行热交换，会腐蚀有机朗肯蒸发器，造成系统安全上的疑虑。此外，烟气为不稳定的热源，其流量会随着每天产能的不同或是燃烧废弃物的多寡而有所浮动，故容易产生较差的发电量及较高的电力生产成本(Electricity Production Cost，EPC)的问题。由此可知，目前市场上缺乏一种安全性高、具有较佳发电量及较低电力生产成本的废热回收系统及其控制方法，故相关业者均在寻求其解决之道。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种废热回收系统及其控制方法，其透过有机朗肯泵浦与热水回路泵浦之间的交互作用有效控制热水入口温度与工作流体蒸发温度，使系统在不稳定的烟气热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。
依据本发明的结构态样的一实施方式提供一种废热回收系统，其用以回收烟气的烟气热能。废热回收系统包含有机朗肯循环系统以及热水回路系统。其中有机朗肯循环系统包含第一工作流体、有机朗肯蒸发器及有机朗肯泵浦。有机朗肯蒸发器将第一工作流体高压汽化，第一工作流体于有机朗肯蒸发器内具有一工作流体蒸发温度。有机朗肯泵浦将第一工作流体传送至有机朗肯蒸发器。再者，热水回路系统连接有机朗肯循环系统，热水回路系统包含热交换器、第二工作流体及热水回路泵浦。烟气流经热交换器而进行热交换。第二工作流体流经热交换器而吸收烟气热能且具有一热水入口温度。热水回路泵浦将第二工作流体从有机朗肯蒸发器传送至热交换器。烟气具有烟气流量，有机朗肯泵浦与热水回路泵浦依据烟气流量与烟气流量预设值的比对结果控制工作流体蒸发温度与热水入口温度。
借此，本发明的废热回收系统透过有机朗肯泵浦与热水回路泵浦之间的交互作用有效控制热水入口温度与工作流体蒸发温度，使系统在不稳定的烟气热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。
依据本发明的方法态样的一实施方式提供一种废热回收系统的控制方法，用以回收烟气的烟气热能，废热回收系统的控制方法包含以下步骤：参数获得步骤与泵浦控制步骤。其中参数获得步骤是驱动废热回收系统获得烟气的烟气流量、烟气流量预设值、工作流体蒸发温度及热水入口温度。而泵浦控制步骤是驱动有机朗肯泵浦与热水回路泵浦依据烟气流量与烟气流量预设值的比对结果控制热水入口温度与工作流体蒸发温度。
借此，本发明的废热回收系统的控制方法透过有机朗肯泵浦与热水回路泵浦之间的交互作用有效控制热水入口温度与工作流体蒸发温度，使系统在不稳定的烟气热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。
附图说明
图1是绘示本发明第一实施例的废热回收系统的示意图；以及
图2是绘示本发明第二实施例的废热回收系统的控制方法的流程示意图。
【符号说明】
100:废热回收系统
110:烟气
200:有机朗肯循环系统
210:第一工作流体
220:有机朗肯蒸发器
230:有机朗肯泵浦
240:有机朗肯膨胀器
250:有机朗肯冷凝器
300:热水回路系统
310:热交换器
320:第二工作流体
330:热水回路泵浦
400:冷却循环系统
410:冷却流体
420:冷却水塔
430:冷却泵浦
440:发电机
500:废热回收系统的控制方法
S2:参数获得步骤
S4:泵浦控制步骤
Figure BDA0003088362000000031
烟气流量
Figure BDA0003088362000000032
第二流量
Figure BDA0003088362000000033
第一流量
Teva:工作流体蒸发温度
Tf_in:烟气入口温度
Tf_out:烟气出口温度
Thw_in:热水入口温度
Thw_out:热水出口温度
具体实施方式
请参阅图1，图1是绘示本发明第一实施例的废热回收系统100的示意图。废热回收系统100用以回收烟气110的烟气热能。废热回收系统100包含有机朗肯循环系统200、热水回路系统300及冷却循环系统400。
有机朗肯循环系统200包含第一工作流体210、有机朗肯蒸发器220、有机朗肯泵浦230、有机朗肯膨胀器240及有机朗肯冷凝器250。其中第一工作流体210可为临界温度低于200℃的冷媒，例如：R245fa、R123、R1234ze(Z)，但本发明不以此为限。有机朗肯蒸发器220将第一工作流体210高压汽化，第一工作流体210于有机朗肯蒸发器220内具有工作流体蒸发温度Teva，工作流体蒸发温度Teva可通过有机朗肯泵浦230所提供的压力(亦称为蒸发压力，Peva)所调整。有机朗肯泵浦230连接有机朗肯蒸发器220并将第一工作流体210传送至有机朗肯蒸发器220。有机朗肯膨胀器240连接于有机朗肯蒸发器220，有机朗肯膨胀器240接收高压汽化后的第一工作流体210，以使高压汽化后的第一工作流体210膨胀并且降压，有机朗肯膨胀器240被第一工作流体210驱动以产生旋转轴功。有机朗肯冷凝器250连接于有机朗肯膨胀器240与有机朗肯泵浦230之间，有机朗肯冷凝器250接收降压后的第一工作流体210，以使降压后的第一工作流体210液化。换言的，有机朗肯泵浦230是将液化后的第一工作流体210从有机朗肯冷凝器250传送至有机朗肯蒸发器220，第一工作流体210流经有机朗肯泵浦230、有机朗肯蒸发器220、有机朗肯膨胀器240及有机朗肯冷凝器250以形成回路。此外，有机朗肯泵浦230包含有机朗肯变频器，有机朗肯变频器具有第一频率，第一工作流体210具有第一流量
Figure BDA0003088362000000041
(mass flow rate of working fluid)，且第一频率与第一流量
Figure BDA0003088362000000042
及工作流体蒸发温度Teva为正相关。
热水回路系统300连接有机朗肯循环系统200，热水回路系统300包含热交换器310、第二工作流体320及热水回路泵浦330。烟气110流经热交换器310而进行热交换。第二工作流体320流经热交换器310而吸收烟气热能且具有热水入口温度Thw_in，然后第二工作流体320会流经有机朗肯蒸发器220。第二工作流体320进入有机朗肯蒸发器220的温度为热水入口温度Thw_in，第二工作流体320离开有机朗肯蒸发器220的温度为热水出口温度Thw_out。热水回路泵浦330将第二工作流体320从有机朗肯蒸发器220传送至热交换器310。烟气110具有烟气流量
Figure BDA0003088362000000043
有机朗肯泵浦230与热水回路泵浦330依据烟气流量
Figure BDA0003088362000000044
与烟气流量预设值的比对结果控制工作流体蒸发温度Teva与热水入口温度Thw_in。此外，热水回路泵浦330包含热水回路变频器，热水回路变频器具有第二频率，第二工作流体320具有第二流量
Figure BDA0003088362000000046
(mass flow rate of hot water)，且第二频率与第二流量
Figure BDA0003088362000000045
为正相关。在一实施例中，热交换器310可为鳍管式热交换器或热管热交换器。烟气110进入热交换器310的烟气入口温度Tf_in可为500℃，烟气110离开热交换器310的烟气出口温度Tf_out可为179℃至182℃。烟气流量预设值可为10kg/s，但本发明不以此为限。
冷却循环系统400连接有机朗肯循环系统200。冷却循环系统400包含一冷却流体410、冷却水塔420、冷却泵浦430及发电机440，其中冷却流体410流经有机朗肯冷凝器250并吸收第一工作流体210液化所放出的热能。冷却水塔420接收经过吸收热能后的冷却流体410，以使吸收热能后的冷却流体410冷却。冷却泵浦430将冷却后的冷却流体410传送至有机朗肯冷凝器250。冷却泵浦430可依需求透过变频器调整冷却流体410的流量。此外，发电机440透过轴连接器连接有机朗肯膨胀器240，发电机440接收有机朗肯膨胀器240的旋转轴功而发电。
举例来说，当比对结果为烟气流量
Figure BDA0003088362000000051
高于烟气流量预设值时，有机朗肯泵浦230的第一频率可维持不变，热水回路泵浦330的第二频率可增加，使工作流体蒸发温度Teva维持在一蒸发温度预设值，第二流量
Figure BDA0003088362000000052
增加而高于一第二流量预设值，且热水入口温度Thw_in维持于一热水温度预设值。再者，当比对结果为烟气流量
Figure BDA0003088362000000053
低于烟气流量预设值时，第一频率与第二频率可均维持不变，使工作流体蒸发温度Teva维持在蒸发温度预设值，第二流量
Figure BDA0003088362000000054
维持在第二流量预设值，且热水入口温度Thw_in低于热水温度预设值。另外，当比对结果为烟气流量
Figure BDA0003088362000000055
低于烟气流量预设值时，第一频率可降低，第二频率可维持不变，使第一流量
Figure BDA0003088362000000056
降低而低于第一流量预设值，工作流体蒸发温度Teva降低而低于蒸发温度预设值，第二流量
Figure BDA0003088362000000057
维持在第二流量预设值，且热水入口温度Thw_in维持于热水温度预设值。换言之，透过减少有机朗肯蒸发器220取热量，以有效保持系统的经济效益。上述的蒸发温度预设值可为105℃，热水温度预设值可为160℃，但本发明不以此为限。
借此，本发明的废热回收系统100透过有机朗肯泵浦230与热水回路泵浦330之间的交互作用有效控制热水入口温度Thw_in与工作流体蒸发温度Teva，使系统在不稳定的烟气110热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。
请一并参阅图1与图2，图2是绘示本发明第二实施例的废热回收系统的控制方法500的流程示意图。废热回收系统的控制方法500用以回收烟气110的烟气热能，废热回收系统的控制方法500包含参数获得步骤S2与泵浦控制步骤S4。
参数获得步骤S2是驱动废热回收系统100获得烟气110的烟气流量
Figure BDA0003088362000000058
烟气流量预设值、工作流体蒸发温度Teva及热水入口温度Thw_in。在一实施例中，废热回收系统100可包含感测器模块与控制处理器，感测器模块包含烟气感测器、第一温度感测器、压力感测器及第二温度感测器，其中烟气感测器用以感测烟气110的烟气流量
Figure BDA0003088362000000061
第一温度感测器用以感测工作流体蒸发温度Teva，压力感测器用以感测压力Peva，第二温度感测器用以感测热水入口温度Thw_in。控制处理器电性连接感测器模块、有机朗肯泵浦230及热水回路泵浦330，控制处理器依据烟气流量
Figure BDA0003088362000000062
控制有机朗肯泵浦230及热水回路泵浦330。控制处理器可为计算机、微处理器或其他电子处理装置。
泵浦控制步骤S4是驱动有机朗肯泵浦230与热水回路泵浦330依据烟气流量
Figure BDA0003088362000000063
与烟气流量预设值的比对结果控制热水入口温度Thw_in与工作流体蒸发温度Teva。借此，本发明的废热回收系统的控制方法500透过有机朗肯泵浦230与热水回路泵浦330之间的交互作用有效控制热水入口温度Thw_in与工作流体蒸发温度Teva，使系统在不稳定的烟气110热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。
由上述实施方式可知，本发明具有下列优点：其一，透过有机朗肯泵浦与热水回路泵浦之间的交互作用有效控制热水入口温度与工作流体蒸发温度，使系统在不稳定的烟气热源下能具有较佳的发电量及较低的电力生产成本。其二，利用热水回路系统与烟气废热进行热交换，可有效缓冲烟气对系统的影响，大幅增加安全性。其三，有机朗肯泵浦、热水回路泵浦及鳍管式热交换器的搭配可实现最佳的有效度，并保持系统的经济效益。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种废热回收系统，用以回收一烟气的一烟气热能，其特征在于，该废热回收系统包含：
一有机朗肯循环系统，包含：
一第一工作流体；
一有机朗肯蒸发器，将该第一工作流体高压汽化，该第一工作流体于该有机朗肯蒸发器内具有一工作流体蒸发温度；及
一有机朗肯泵浦，将该第一工作流体传送至该有机朗肯蒸发器；以及一热水回路系统，连接该有机朗肯循环系统，该热水回路系统包含：
一热交换器，该烟气流经该热交换器而进行热交换；
一第二工作流体，流经该热交换器而吸收该烟气热能且具有一热水入口温度；及
一热水回路泵浦，将该第二工作流体从该有机朗肯蒸发器传送至该热交换器；
其中，该烟气具有一烟气流量，该有机朗肯泵浦与该热水回路泵浦依据该烟气流量与一烟气流量预设值的一比对结果控制该工作流体蒸发温度与该热水入口温度。
2.如权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，该有机朗肯循环系统还包含：
一有机朗肯膨胀器，连接于该有机朗肯蒸发器，该有机朗肯膨胀器接收高压汽化后的该第一工作流体，以使高压汽化后的该第一工作流体膨胀降压，该有机朗肯膨胀器被该第一工作流体驱动以产生一旋转轴功；及
一有机朗肯冷凝器，连接于该有机朗肯膨胀器与该有机朗肯泵浦之间，该有机朗肯冷凝器接收降压后的该第一工作流体，以使降压后的该第一工作流体液化；
其中，该有机朗肯泵浦将液化后的该第一工作流体从该有机朗肯冷凝器传送至该有机朗肯蒸发器，该第一工作流体流经该有机朗肯泵浦、该有机朗肯蒸发器、该有机朗肯膨胀器及该有机朗肯冷凝器以形成回路。
3.如权利要求2所述的废热回收系统，其特征在于，还包含：
一冷却循环系统，连接该有机朗肯循环系统，该冷却循环系统包含：
一冷却流体，流经该有机朗肯冷凝器并吸收该第一工作流体液化所放出的热能；
一冷却水塔，接收吸收热能后的该冷却流体，以使吸收热能后的该冷却流体冷却；及
一冷却泵浦，将冷却后的该冷却流体传送至该有机朗肯冷凝器。
4.如权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，其中，
该有机朗肯泵浦包含一有机朗肯变频器，该有机朗肯变频器具有一第一频率，该第一工作流体具有一第一流量，且该第一频率与该第一流量及该工作流体蒸发温度为正相关；及
该热水回路泵浦包含一热水回路变频器，该热水回路变频器具有一第二频率，该第二工作流体具有一第二流量，且该第二频率与该第二流量为正相关；
其中，当该比对结果为该烟气流量高于该烟气流量预设值时，该第一频率维持不变，该第二频率增加，使该工作流体蒸发温度维持在一蒸发温度预设值，该第二流量增加而高于一第二流量预设值，且该热水入口温度维持于一热水温度预设值。
5.如权利要求4所述的废热回收系统，其特征在于，其中，
当该比对结果为该烟气流量低于该烟气流量预设值时，该第一频率与该第二频率均维持不变，使该工作流体蒸发温度维持在该蒸发温度预设值，该第二流量维持在该第二流量预设值，且该热水入口温度低于该热水温度预设值。
6.如权利要求5所述的废热回收系统，其特征在于，其中，
当该比对结果为该烟气流量低于该烟气流量预设值时，该第一频率降低，该第二频率维持不变，使该第一流量降低而低于该第一流量预设值，该工作流体蒸发温度降低而低于该蒸发温度预设值，该第二流量维持在该第二流量预设值，且该热水入口温度维持于该热水温度预设值。
7.一种使用如权利要求1所述的废热回收系统的控制方法，用以回收一烟气的一烟气热能，其特征在于，该废热回收系统的控制方法包含以下步骤：
一参数获得步骤，是驱动该废热回收系统获得该烟气的该烟气流量、该烟气流量预设值、该工作流体蒸发温度及该热水入口温度；以及
一泵浦控制步骤，是驱动该有机朗肯泵浦与该热水回路泵浦依据该烟气流量与该烟气流量预设值的该比对结果控制该热水入口温度与该工作流体蒸发温度。
8.如权利要求7所述的废热回收系统的控制方法，其特征在于，其中，
该有机朗肯泵浦包含一有机朗肯变频器，该有机朗肯变频器具有一第一频率，该第一工作流体具有一第一流量，且该第一频率与该第一流量及该工作流体蒸发温度为正相关；及
该热水回路泵浦包含一热水回路变频器，该热水回路变频器具有一第二频率，该第二工作流体具有一第二流量，且该第二频率与该第二流量为正相关；
其中，当该比对结果为该烟气流量高于该烟气流量预设值时，该第一频率维持不变，该第二频率增加，该工作流体蒸发温度维持在一蒸发温度预设值，该第二流量增加而高于一第二流量预设值，且该热水入口温度维持于一热水温度预设值。
9.如权利要求8所述的废热回收系统的控制方法，其特征在于，其中，
当该比对结果为该烟气流量低于该烟气流量预设值时，该第一频率与该第二频率均维持不变，该工作流体蒸发温度维持在该蒸发温度预设值，该第二流量维持在该第二流量预设值，且该热水入口温度低于该热水温度预设值。
10.如权利要求9所述的废热回收系统的控制方法，其特征在于，其中，
当该比对结果为该烟气流量低于该烟气流量预设值时，该第一频率降低，该第二频率维持不变，使该第一流量降低而低于该第一流量预设值，该工作流体蒸发温度降低而低于该蒸发温度预设值，该第二流量维持在该第二流量预设值，且该热水入口温度维持于该热水温度预设值。
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